Лекции 7-10

Лекція 7. Автогенераторы: структурные схемы, параметры.

Автогенераторы – устройства, которые при подключении к источнику питания обеспечивают формирование гармонического сигнала, частота и амплитуда которого определяется параметрами схемы.

Структурная схема автогенератора (АГ) представлена на рис.1.

Рис.1

Цепь ПОС (положительной обратной связи) обеспечивает компенсацию

потерь в элементах схема АГ, реализацию стационарного (с неизменной амплитудой гармонического сигнала) режима работы.

Частота выходного сигнала АГ определяется частотой настройки колебательного контура (резонансной цепи) _о = 1/ с учетом добавок за счет реактивного сопротивления активного элемента.

Условие стационарного режима работы АГ имеет вид:

К=К_ос *S₁ *Z_экв * ехр j( _ає + _ос + _конт ) = 1.

Откуда следуют два условия:

– условие баланса амплитуд /К_ос /*/S₁ /*/Z_экв / = 1,

– условие баланса фаз ( _ає + _ос + _конт ) = 2 n, где n=1,2,3,…

Здесь S₁ –крутизна ВАХ активного элемента и _аэ –его фаза;

К_ос и _ос–коэффициент передачи цепи положительной обратной связи и его фаза;

Z_экв и _конт – эквивалентное сопротивление резонансного контура на резонансной частоте и его фаза, соответственно.

В АГ могут быть реализованы мягкий или жесткий режимы возбуждения,

особенности которых пояснены рис.2

Рис.2

Для надежного возбуждения АГ необходим запас по возбуждению.

Обычно К_ос *S₁ = (3…5) .

При мягком режиме процесс возбуждения формируется из собственных

шумов активного элемента; возбуждение легкое, «мягкое». Жесткий режим -

режим вынужденных колебаний; на вход генератора нужно подать внешний сигнал, и тогда режим собственных колебаний установится.

Для жесткого режима характерна более высокая стабильность работы АГ.

Типичный режим работы АГ в стационарном режиме– активный элемент работает с отсечкой тока; угол отсечки при этом составляет 65^о-70^о (т.н. режим класса С). Т.е. активный элемент большую часть периода колебаний закрыт, открываясь только на одну треть периода; и именно в этот момент он вносит к резонансный контур энергию, поддерживающую в нем свободные колебания на постоянном уровне и компенсирующую потери в контуре.

Схемы автогенераторов

1.Одноконтурные аг

Для этой схемы К_ос = – = .

В стационарном режиме _Конт = – _аэ , и частота определяется из уравнения Х₁ +Х₂ +Х₃ = 0.

Для возбуждения необходимо выполнение следующих условий:

Х₁ *Х₂ >0, Х₁ *Х₃ <0, /Х2/</Х3/.

При этом возможны следующие два варианта схем:

Это емкостная трёхточка Это индуктивная трёхточка

Двухконтурные автогенераторы позволяют учесть паразитные реактивные

параметры транзистора (С_к , С_бэ , индуктивности вводов). Варианты таких схем на рис.3.

а) Схема с ОЭ б) Схема с ОК в) Схема с ОБ

Рис.3

Для схемы рис.3а настройка контуров I и II должны быть такой, чтобы их сопротивления было индуктивными; в этом случае реализуется схема индуктивной трехточки. Для схем рис.3б и 3в настройки контуров I и II должны быть такими, чтобы сопротивление контура I было индуктивным, а сопротивление контура II–емкостным; в этом случае реализуется схема АГ по емкостной трехточки. В таких схемах паразитные параметры транзистора С_кб , С_бэ , С_кэ участвуют в работе как полноправные элементы схемы; при этом конструктивно сами конденсаторы в схеме АГ могут отсутствовать.

Параметры аг

1. Частота выходного сигнала;

2. Полоса рабочих частот ( для перестраиваемых АГ)4

3. Нестабильность частоты выходного сигнала;

4. Уровень мощности выходного сигнала;

5. Уровень собственных шумов АГ.

Параметром, определяющим качество работы АГ, является нестабильность частоты его выходного сигнала.

Виды нестабильности частоты:

– абсолютная f_і = f_i –f_средн , Гц

– относительная f = f_i / f_средн , (величина безразмерная)

– долговременная,

– кратковременная.

Причины долговременной нестабильности частоты АГ:

- малая величина добротности резонансного контура,

- нестабильность и пульсации напряжения источников питания,

-температурная нестабильность (изменение параметров всех элементов схемы при изменении окружающей температуры),

- старенне элементов автогенератора,

- вибронагрузки на элементы схемы АГ.

Причиной кратковременной нестабильности частоты АГ являются

собственные шумы его активных элементов.

Метод измерения долговременной нестабильности частоты.

1. Набирается массив результатов измерений частоты выходного сигнала

АГ за конечный интервал времени (час, сутки и т.д.): f1, f2, f3, …fi,….fn.

2. Вычисляется среднее значение частоты

fср = .

3. Определяется отклонение частоты от среднего значения:

= f1-fср,; f2=f2-fср; f3=f3-fср;….. fi=fi-fср;…… fn=fn-fср.

4. Находится среднеквадратичное отклонение частоты от среднего значения

Это и есть абсолютная долговременная нестабильность АГ за заданный

интервал времени.

Долговременная нестабильность зависит от добротности резонансного

контура в схеме АГ. Чем выше добротность Q, тем меньше нестабильность частоты АГ. В КВ диапазоне резонансные цепи выполняются в виде параллельных контуров LC, добротность которых не превышает 100…150. Поэтому достижимы значения относительной нестабильности частоты таких АГ составляют 10^-3 –10^–4 .

В дцм диапазоне волн резонансные контура выполняются в виде короткозамкнутого или разомкнутого четвертьволновых отрезков длинных линий (длина которых равна /4). Их добротность достигает несколько сотен. И как следствие, величина относительной нестабильности частоты может достигать значений 10^–4 ...10^–5 .

В СВЧ диапазоне резонансные цепи выполняются на основе высокодобротных объёмных (волноводных) резонаторов, добротность которых может достигать нескольких тысяч. Нестабильность частоты АГ с таким резонатором будет лучше, чем 10^–5 .

Для большинства современных РПДУ этого недостаточно. Типичные значения относительной долговременной нестабильности частоты современных РПДУ должны быть не хуже, чем 10^-6 … 10^–7. Поэтому большинство АГ требуют дополнительной стабилизации частоты.